Aug. 05, 2026
1928年,欧文·朗缪尔首次使用(等离子体”来描述含有平衡电荷的离子和电子的区域,意思是电子密度((ne)近似等于离子密度((ni)。等离子体虽然是(准中性”的,但其电子、离子等自由电荷载体不仅赋予其比金属更高的导电性,而且产生大量的激发态粒子,使其具有固体、液体和气体等物质状态没有的独特性能。更重要的是,等离子体中的粒子温度和能量密度高于其他状态使其即使在低温下也能产生高能物质,这可以引发用其他方法很难或不可能获得的物理和化学反应。当等离子体作用于材料时,根据改性机理,可将等离子体改性方式概括为七大类:剥离、空位构建、元素掺杂、薄膜沉积、刻蚀、还原和聚合。
1. 剥离:等离子体的高能粒子通过动量传递作用于材料表面,可活化的表面原子/分子以克服范德华力、氢键等较弱的作用力,实现材料剥离。因此,石墨烯和层状双氢氧化物等二维层状材料可以通过等离子体剥离。等离子剥离与传统的机械去剥离或溶剂辅助剥离相比,不涉及有毒或以发生环境污染的化学物质或气体。此外,等离子体剥离产物通常不含表面活性剂等污染物,能保持其固有特性。
2. 空位:材料与等离子体入射活性粒子的动量转移过程中,晶格中的原子或离子发生溅射留下空位。溅射程度可以通过入射粒子的类型、能量和方向来调节。阳离子空位((如Co和Fe空位)、阴离子空位(如O、S和N空位)可以通过等离子体引入。
3. 掺杂:非金属元素((如N、O、S等)、金属元素((如Mg、Ti、Fe等)和双/三元素(如N-S、N-P、N-S-P等)掺杂被广泛应用于电化学储能器件的材料改性。等离子中的体粒子高能量,可将杂原子植入到基体材料的框架中,实现掺杂。与原位生长相比,等离子体掺杂可以使掺杂的受体处于高活化状态,且效率高。
4. 沉积:等离子体已被广泛用于沉积涂层和薄膜。与热沉积((如热蒸发、热化学气相沉积)驱动的沉积相比,等离子体增强沉积物质具有高反应活性,可降低成核屏障,从而使温度、时间、气压和基材更等条件选择更广泛。因此,可通过等离子体技术沉积碳、金属氧化物和金属氮化物等。
5. 刻蚀:等离子体除了物理的溅射作用外,其中的受激粒子具有很高的化学活性,可与材料反应形成挥发性产物。这些物理和化学反应产生蚀刻效应。与其他技术相比,等离子体蚀刻具有高重复性。此外,通过控制放电气体的组成和速率,可以获得较多的蚀刻条件和较高蚀刻速率。
6. 还原:以氢等还原性气体形成的等离子体含有丰富的原子氢、离子氢、激发态氢原子和氢分子,已被广泛用于材料还原或去除材料中的氧化物。与热还原相比,等离子体还原可以在较低的温度下进行,适用于需低温处理的材料。
7.聚合:等离子体会破坏单体中的化学键产生利于聚合的中间体发生聚合或缩聚反应。同时,可通过控制气氛、单体类型、前驱体、处理时间等因素控制等离子体聚合。然而,等离子体聚合的机理存在争议。目前有自由基链生长聚合、离子链生长聚合、离子-分子反应、单体断裂-重组聚合、自由基链生长共聚以及化学接枝到自由基位点或官能团聚合等机理。
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